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Lichtelektrisches Verfahren und Gerät zur Prüfung der Abbildungsgüte
optischer Linsensysteme
Die Erfindung bezieht sich auf ein lichtelektrisches Verfahren
zur Prüfung der Abbildungsgüte von optischen Linsensystemen, insbesondere von Photoobj
ektiven.
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Bekanntlich wird die Abbildungsgüte photographischer Objektive durch
die Messung ihres Auflösungsvermögens bestimmt. Dies geschieht z. B. in der Weise,
daß mit dem zu prüfenden Objektiv in einer besonderen Prüfkamera ein geeignetes
Testobjekt photographiert wird. Als solches findet eine S chwarz-Weiß-S trichzeichnung
Verwendung, die Details verschiedenster Größe enthält. In der Photographie dieses
Testobjektes mißt man im Mikroskop das kleinste, gerade noch auflösbare Detail und
erhält damit das Auflösungsvermögen des untersuchten Objektivs. Je kleiner das aufgelöste
Detail ist, um so größer ist das Auflösungsvermögen und um so besser ist die Abbildungsqualität
des Prüflings. Der Prüfvorgang in dieser Art umfaßt das Einlegen einer Photoplatte
in die Kassette der Prüfkamera in der Dunkelkammer, das Einlegen der geladenen Kassette
in die Prüfkamera, das Einsetzen des Objektivs in die Prüfkamera, die Aufnahme,
deren Entwicklung und Fixierung unter streng einzuhaltenden Normalbedingungen, das
Wässern und Trocknen der Aufnahme, ferner ihre mikroskopische Auswertung und die
Registrie rung des Prüfergebnisses in einer Karteikarte. Die
Prüfung
läßt sich also mühelos als eine Aneinanderreihung von etwa zehn Arbeitsgängen beschreiben.
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Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß der Prüfvorgang eine große
Reihe von Arbeitsgängen umfaßt und durch seinen Zeit- und Materialaufwand erhebliche
Kosten verursacht.
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Es ist auch bereits ein lichtelektrisches Verfahren bekannt, bei
dem das Mikroskop durch eine Abtastvorrichtung ersetzt wird, wobei eine vor einem
Kollimatorspalt bewegte Schwingblende mittels des zu untersuchenden optischen Linsensystems
auf der Photokathode einer Photoverstärkeranordnung abgebildet und in einem Oszillographen
sichtbar gemacht wird. Der angezeigte Intensitätsverlauf des Photostromes ergibt
ein Maß für das Auflösungsvermögen des Linsensystems. Dieses bekannte Verfahren
hat den Nachteil, daß die Größe der Schwingblende jeweils der Größe des zu zerlegenden
Obj ektbildes angepaßt werden muß.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, im Gegensatz zu den bekannten
Verfahren bei der Prüfung der Abbildungsgüte optischer Linsensysteme ein unmittelbares
objektives Maß für das Auflösungsvermögen zu finden. Die Erfindung betrifft ein
lichtelektrisches Verfahren, bei dem ein Testobj ekt durch das zu prüfende optische
Linsensystem abgebildet wird, eine Abtastvofrichtung die Helligkeitsverteilung des
Bildes des Testobj ektes einem lichtelektrischen Empfangsgerät zuführt und die entstehenden
lichtelektrischen Ströme oder Spannungen nach entsprechender Verstärkung in einem
Meßgerät in der Weise sichtbar gemacht werden. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß
bei Verwendung eines an sich bekannten Gitters od. dgl. mit veränderlicher Gitterkonstante
als Testobj ekt die Gitterkonstante so lange verkleinert wird, bis das Meßgerät
beim Wechsel zwischen den Bildern der durchlässigen und undurchlässigen Teile des
Gitters keine Strom- oder Spannungsschwankungen mehr anzeigt. Da durch den Einfluß
der Abbildungsfehler des Prüflings mit abnehmender Gitterkonstante, die diesen entsprechenden
Helligkeitsschwankungen immer geringer werden, kann aus der Größe der elektrischen
Meßwerte das Auflösungsvermögen des Prüflings bestimmt werden. Weitere Einzelheiten
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung, welche Ausführungsbeispiele
des Erfindungsgegenstandes darstellt. Fig. 1 zeigt schematisch den beispielsweisen
Aufbau des Prüfgerätes. Ein Testobjekt 1, das aus regelmäßig angeordneten Schwarz-Weiß-Gitte;rstrichen
besteht, wird durch das zu prüfende Linsensystem 2 abgebildet, und am Bildort 3
wird eine Abtastvorrichtung 4 relativ zum Bilde so bewegt, daß zeitlich nacheinander
die den hellen und dunklen Bildteilen entsprechenden Lichtwerte durch die Abtastvorrichtung
4 hindurch auf ein lichtelektrisches Ele ment 5 fallen. Die dadurch hervorgerufenen
Lichtschwankungen verwandelt das lichtelektrische Element in verhältnisgleiche elektrische
Spannungen.
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Führt man diese Spannungen über einen Verstärker 6 in bekannter Weise
einem Wechselstromoder, unter Verwendung eines Gleichrichters, einem Gleichstromvoltmeter
7 zu, so ist deren Zeigerausschlag den Lichtschwankungen proportional. Benutzt man
an Stelle eines Voltmeters einen Kathodenstrahloszillographen, so sieht man als
Oszillogramm ein der Helligkeitsverteilung am Abtastorgan ähnliches Bild. Die Kurvenamplituden
des Schirmbildes sind den Lichtschwankungen am Spalt proportional. Läßt man jetzt
in dem Testobjekt die Abstände der Gitterstriche immer kleiner werden, so wird durch
die Auswirkung der Abbildungsfehler des Linsensystems der Kontrast in den Bildteilen
immer kleiner. Die Fig. 2 a bis 2 d zeigen beispielsweise die sich ergebenden Oszillogramme,
und zwar zeigt Fig. 2 a das Oszillogramm der Helligkeitsverteilung bei fehlerfreier
Abbildung des Linsensystems, Fig. 2b den Einfluß des Abibildungsfehlers bei Abbildung
eines Strichgitters mit weit auseinanderliegenden Gitterstrichen und die Fig. 2c
und 2d die gleichen Oszillogramme bei zusammengerückten Gitterstrichen.
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Je mehr die Gitterstriche zusammenrücken, um so mehr erscheint an
Stelle einer sauberen Schwarz-Weiß-Strichfolge ein mehr oder weniger verwaschenes
Bild, das schließlich bei einer bestimmten Detailgröße in eine gleichmäßig graue
Fläche übergeht. Diese Detailgröße ist dann gerade nicht mehr aufgelöst und bestimmt
die Größe des Auflösungsvermögens. In denn Maße, wie die Helligkeitsunterschiede
im Bild zurückgehen, werden. die Ausschläge der obengenannten elektrischen Meßwertgeber
immer kleiner und gehen bei Erreichen der Auflösungsgrenze auf Null zurück. Umgekehrt
ausgedrückt zeigt also der Zeigerausschlag Null an, daß in diesem Augenblick eine
Detailgröße auf die Abtastvorrichtung abgebildet wird, die der Auflösungsgrenze
des Prüflings gerade entspricht.
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Das Meßverfahren stellt somit eine Nullmethode dar, bei der es nicht
auf Einhaltung bestimmter konstanter Helligkeitswerte im Beleuchtungsstrahlengang
oder auf Einhalten eines konstanten Verstärkungsgrades der elektrischen Verstärkerapparatur
ankommt. Mit Rücksicht darauf, daß ein photographisches Objektiv für den spektralen
Empfindlichkeitsbereich der Photoplatte korrigiert ist, muß dafür Sorge getragen
werden, daß bei der lichtelektrischen Prüfung der gleiche Spektralbereich benutzt
wird. Man erreicht dies bis zu einem gewissen Grade bereits durch die Wahl eines
geeigneten Kathodenmaterials der Photozelle. Die restliche Anpassung wird dadurch
erzielt, daß man in den Strahlengang ein geeignet gefärbtes Lichtfilter einschaltet.
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Die für das Prüfverfahren erforderliche Relativbewegung zwischen
dem Bilde des Testobjektes und der Abtastvorrichtung läßt sich auf zwei Wegen erreichen,
nämlich entweder durch optische oder mechanische Bewegung des Testobjektes oder
dadurch, daß man die Abtastvorrichtung im Bildfeld bewegt. Wählt man ein rotationssymmetrisches
Testobjekt gemäß den Fig. 3 und 4, so muß man
dieses um seinen Mittelpunkt
drehen lassen. Fig. 3 zeigt den bekannten Teststern, bei dem die Detailgrößen linear
mit dem Abstand vom Sternmittelpunkt anwachsen. Die vom Sterumittelpunkt ausgehenden
schwarzen und weißen Sektoren g und 10 sind in bestimmter Entfernung vom Mittelpunkt
gleich breit und haben bei der gebräuchlichsten Ausführung eine Winkelöffnung von
50. Das Testobjekt der Fig. 4 soll als Stufenstern ii bezeichnet werden. Die Detailgrößen
sind auch hier rotationssymmetrisch angeordnet, sie wachsen aber nicht stetig mit
dem Radius an, sondern sind auf Ringzonen 12 gleicher Breite konstant. Im Gegensatz
zu dem normalen Teststern 8 sind hier die großen Details in der Nähe des Zentrums
der Figur zu finden, während nach dem Rande zu immer kleinere auftauchen. Die Abtastvorrichtung
in der Bildebene besteht dann aus einem festen Spalt, dessen Länge mindestens so
groß ist wie der Durchmesser des Sternbildchens. Die Spaltbreite muß kleiner sein
als das kleinste, mit dem Prüfling 2 noch auflösbare Detail. Um verschiedene Detailgrößen
l,e quem nacheinander anwenden zu können, wird man zweckmäßig, wie in Fig. 5 dargestellt,
den Teststern 8 bis auf einen radialen Spalt 14 abdecken, dessen Breite größer sein
muß als das größte, am Rande des Sterns befindliche Testdetail. Dieser Spalt seinerseits
wird durch eine bewegliche Abdeckvorrichtung 15 bis auf eine, die jeweils interessierende,
Ringzone abgedeckt. Man beginnt dann die Untersuchung des Prüflings mit der Spaltzone
am Rande des Sterns und bewegt die Zonenöffnung I6 im Spalt so lange nach dem Sternmittelpunkt,
bis der Ausschlag des elektrischen Anzeigegerätes Null geworden ist. Die dann gerade
eingestellte Spaltbreite enthält die Detailgröße, die der Auflösungsgrenze des Prüflings
entspricht.
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Eine andere, geeignete Ausführung des Testobjekts erhält man dadurch,
daß man auf einem bewegten Film I7 ein Schwarz-Weiß-Gitter anbringt.
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Die Gitterstriche stehen senkrecht zur Laufrichtung des Filmes. Die
Gitterkonstante ändert sich entweder sehr langsam kontinuierlich oder aber, wie
in Fig. 6 dargestellt, in Stufen, die jeweils über eine bestimmte Filmlänge konstant
sind.
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Diese Länge ergibt sich dann aus der Einstell- und Ablesezeit des
benutzten elektrischen Anzeigegerätes sowie aus der Filmgeschwindigkeit. Auch hierbei
ist der Augenblick, in dem der Ausschlag des elektrischen Meßinstrumentes Null wird,
das Anzeichen dafür, daß die gerade benutzte Gitterkonstante dem Auflösungsvermögen
des Prüflings entspricht.
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Im Falle der Untersuchung optischer Linsensysteme mit sehr langen
Brennweiten läßt sich die Relativbewegung zwischen Testfigurbild und Abtastvorrichtung
einfach auch dadurch erzeugen, daß bei feststehendem Testobjekt die Abtastvorrichtung
in der Bildfeldebene bewegt wird. Die Bewegung wird dadurch erzeugt, daß man die
Spaltanordnung auf eine geeignet bewegliche Vorrichtung setzt. Diese T,ösung bietet
die Möglichkeit einer kleinen, bequem zu handhabenden Apparatur, und es sind Verhältnisse
denkbar, bei denen diese Möglichkeit der Realisierung der Relativbewegung gegenüber
den zuerst genannten Vorzüge bietet.
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Es sei nur an die Prüfung extrem langer Brennweiten erinnert.
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Soll das Auflösungsvermögen nicht nur in der Bildfeldmitte, sondern
auch an den außeraxialen Stellen gemessen werden, so wird das Testobjekt entweder
entsprechend häufig an den geeigneten Stellen der Objektebene angebracht, oder aber
ein einziges Testobjekt I wird über eine Ablenkvorrichtung 19, beispielsweise einen
Spiegel oder ein Prisma, gemäß Fig. 7 nacheinander in den gc wünschten Winkelstellungen
in das Objektiv 2 hineinprojiziert. Natürlich befindet sich an jeder Stelle des
Bildfeldes 3, an der das Auflösungsvermögen bestimmt werden soll, eine Abtastvorrichtung
4. In einem außeraxialen Bildfeldpunkt muß das Auflösungsvermögen im allgemeinen
in zwei Richtungen, der sagittalen und der tangentialen bestimmt werden. Um dies
einfach ausführen zu können, bringt man in der Bildfeldebene 20 an jeder Meßstelle
statt eines Spaltes jeweils zwei gekreuzte Spalte 21 an (Fig. 8), wobei der eine
zweckmäßig in radialer, der andere in tangentialer Richtung im Bildfeld 20 liegt.
Der Spalt 22 entspricht dem Meßpunkt auf der optischen Achse und ist daher nur als
einfacher Spalt ausgeführt. Bei Verwendung des Teststerns 8 wird dieser bis auf
zwei senkrecht aufelnanderstellende Spalte abgedeckt und diese beiden Spalte, die
denen in der Bildfeldebene optisch zugeordnet sind, werden nacheinander zur Bestimmung
des Auflösungsvermögens in sagittal er und tangentialer Richtung in der oben heschriebenen
Weise benutzt. Benutzt man die zweite oben beschriebene Art des Testobjektes I,
SO hat man an jeder Meßstelle der Objektebene den Testfilm nacheinander in zwei
zueinander senkrechten Richtungen anlaufen zu lassen.
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Die Benutzung des Teststerns 8 liefert zweifellos den einfacheren
mechanischen Aufbau. Dabei ist aber zu bedenken, daß die Ringspaltzonen I6 relativ
klein sein müssen, wenn die Detailgrößen einen gut definierten Wert haben sollen.
Es ergibt sich dadurch eine recht lichtschwache Anordnung.
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Sind dagegen die Testdetails in Form gerader Gitterstäbe auf einen
Film angebracht, so kann die Höhe der Gitterstäbe sehr viel größer gemacht werden.
Dadurch wird der auf die Zelle fallende Lichtstrom aber auch sehr viel größer als
bei Benutzung des Teststerns. Diese letztere Methode eignet sich also besonders
gut zur Untersuchung von Objektiven mit kleiner Öffnung.